Молекулы, так как на синтез 3 молекул стеариновой кислоты требуется 24 АТФ, а при окислении 1 ацетил-коА образуется 12 АТФ.)1)Для стеариновой кислоты суммарное уравнение ее b-окисления имеет вид:Расчеты показывают, что при окислении стеариновой кислоты в клетке будет синтезироваться 148 молекул АТФ. При расчете энергетического баланса окисления из этого количества нужно исключить 2 макроэргических эквивалента, затрачиваемых при активации жирной кислоты (в ходе активации АТФ расщепляется до АМФ и 2 Н3РО4). Таким образом, при окислении стеариновой кислоты клетка получит 146 молекул АТФ.Для сравнения: при окислении 3 молекул глюкозы, содержащих также 18 атомов углерода, клетка получает только 114 молекул АТФ, т.е. высшие жирные кислоты являются более выгодным энергетическим топливом для клеток по сравнению с моносахаридами. По-видимому, это обстоятельство является одной из главных причин того, что энергетические резервы организма представлены преимущественно в виде триацилглицеринов, а не гликогена. 2)1. Затраты энергии на синтез моносахаридов. Как следует из приведенных схем (рис. 1 и 2), один моль АТФ (или ее эквивалента) используется при образовании глюкозо-6-фосфата и один – при образовании нуклеозиддифосфатсахаридов (например, глюкозо-1-фосфат УДФ-глюкоза или маннозо-1-фосфат ГДФ-манноза и т.д.). Кроме того, одна макроэргическая связь расходуется для присоединения повторяющегося звена к молекуле ЭПС (т.е. при полимеризации ЭПС) [14]. В состав звена АП входят 7 остатки семи нейтральных моносахаридов и остаток глюкуроновой кислоты. Для их синтеза необходимо 8 молей глюкозы. Энергозатраты на синтез из глюкозы одного моносахарида, входящего в состав звена АП, составляют 2 моля АТФ. Общий расход АТФ на синтез моносахаридов, входящих в состав повторяющегося звена АП, и присоединение этого звена к молекуле ЭПС составляет 8х2+1=17 молей АТФ (как при гликолитическом, так и при КДФГ- пути катаболизма глюкозы). 2. Затраты энергии на синтез жирных кислот из ацетил-КоА. Синтез жирных кислот осуществляется следующим образом [1]: из ацетил-КоА и СО2 посредством АТФ-зависимой реакции образуется малонил-КоА и далее в результате трех последующих реакций образуется бутирил-КоА. Образовавшийся бутирил-КоА взаимодействует со следующей молекулой малонил-КоА, и процесс повторяется до образования СН3-(СН2)4-СО-SКоА. В следующем цикле в качестве конечного продукта образуется СН3-(СН2)6-СО-SКоА. Таким образом, путем последовательного наращивания ацил-КоА на двууглеродный фрагмент (посредством взаимодействия с малонил-КоА и последущей потери СО2) синтезируются высшие жирные кислоты в виде соответствующих ацил-КоА. Следовательно, для синтеза лауриновой кислоты (С12) необходимо 5 циклов, для образования пальмитиновой (С16) – 7 циклов. В одном цикле расходуется 1 моль АТФ. Таким образом, энергозатраты на синтез жирных кислот, входящих в состав повторяющегося звена АП, составят 5+7=12 моль АТФ (как при гликолитическом, так и при КДФГ-пути катаболизма глюкозы). Генерация энергии при синтезе этаполана из глюкозы. Энергия генерируется при синтезе ПВК, глюкуроновой кислоты и ацетил-КоА (предшественника жирных кислот). 1. Синтез ПВК. Суммарную реакцию образования ПВК из глюкозы можно представить в виде следующих уравнений: Глюкоза 2 ПВК + 2 АТФ + 2 НАДН (гликолиз) (1) Глюкоза 2 ПВК + АТФ + НАДН + НАДФН (КДФГ-путь) (2)8 2. Образование глюкуроновой кислоты. При окислении глюкозы до глюкуроновой кислоты (в повторяющемся звене ЭПС содержится 1 моль глюкуроновой кислоты) образуется 2 НАД(Ф)Н: Глюкоза Глюкуроновая кислота + 2 НАД(Ф)Н (3) 3. Синтез ацетил-КоА. Суммарную реакцию образования ацетил-КоА из глюкозы можно представить в виде следующих уравнений: Глюкоза 2 Ацетил-КоА + 2 АТФ + 4 НАДН (4) (гликолиз) Глюкоза 2 Ацетил-КоА + АТФ + 3 НАДН + НАДФН (5) (КДФГ-путь) Для синтеза моля лауриновой кислоты необходимо 6, а для образования моля пальмитиновой кислоты – 8 молей ацетил-КоА. Всего необходимо 14 молей ацетил-КоА, для образования которых расходуется 7 молей глюкозы. Генерация энергии при этом составит: 7 Глюкоза 14 Ацетил-КоА + 14 АТФ + 28 НАДН (6) (гликолиз) 7 Глюкоза 14 Ацетил-КоА + 7 АТФ + 21 НАДН + 7 НАДФН (7) (КДФГ-путь) Приведенные выше данные по затратам АТФ на синтез звена АП и НАП, а также данные по генерации энергии (уравнения 1-7) можно представить в виде таблицы (табл.1). На образование повторяющегося звена АП расходуется 15,5 молей глюкозы (8 молей на синтез моносахаридов и глюкуроновой кислоты; 0,5 моля – на образование ПВК и 7 молей на образование жирных кислот), на синтез звена НАП расходуется 8,5 молей глюкозы (8 молей на синтез моносахаридов и глюкуроновой кислоты; 0,5 моля – на образование ПВК). Энергетические потребности микробного синтеза АП и НАП в пересчете на моль использованной глюкозы представлены в табл. 2. Таким образом, генерация энергии при синтезе повторяющегося звена АП и звена НАП (АП + НАП) составляет: 3,5 – 1,92 = 1,58 моль АТФ/моль использованной глюкозы (гликолиз);9 3,17 – 1,92 = 1,25 моль АТФ/моль использованной глюкозы (КДФГ-путь). Согласно нашему допущению, 50% глюкозы катаболизируется по гликолитическому, а 50% - по КДФГ-пути. Следовательно, генерация энергии при синтезе ЭПС из глюкозы составляет 1,42 моль АТФ/моль использованной глюкозы. Приведенные результаты, как и данные, изложенные в работе [14], свидетельствуют о том, что чем выше содержание окисленных заместителей (уроновых кислот, пирувата, жирных кислот, ацетата, сукцината и др.) в составе ЭПС, тем больше энергии генерируется при синтезе таких полисахаридов. При синтезе нейтральных ЭПС (например, курдлана) генерации энергии не происходит. Энергетические затраты при синтезе биомассы. Энергетические затараты на синтез биомассы отражает экономический коэффициент расхода АТФ (YАТФ): YАТФ = х/АТФ, где х – количество биомассы (г), синтезированной при затрате энергии 1 моль АТФ (АТФ). Установлено, что для большинства микроорганизмов при синтезе биомассы из ФГК YАТФ одинаков и составляет около 10,5 г клеток/моль АТФ [19]. Cинтез биомассы из ФГК (при использовании аммонийного источника азота) можно представить в виде уравнения [7]: 4 ФГК + NH3 + 29 АТФ + 5,5 НАД(Ф)Н (С4H8O2N1)3, (8) где (С4H8O2N1)3 – формула биомассы. Суммарные реакции превращения этанола и глюкозы в ФГК выражаются следующими уравнениями [7]: 2 С2Н5ОН +3 АТФ ФГК + 6 НАД(Ф)Н + ФАДН2 + СО2 (9) С6Н12О6 2 ФГК + 2 НАД(Ф)Н (гликолиз) (10) С6Н12О6 + 2 АТФ 2 ФГК + 2 НАД(Ф)Н (КДФГ-путь) (11) Принимая во внимание допущение о том, что 50% глюкозы катаболизируется по гликолитическому, а 50% - по КДФГ-пути, уравнения 10 и 11 можно объединить: С6Н12О6 + АТФ 2 ФГК + 2 НАД(Ф)Н (12)10 Для Р/О, равного 2, уравнения 9 и 12 можно представить в виде: 2 С2Н5ОН ФГК + 10 АТФ (13) С6Н12О6 2 ФГК + 3 АТФ (14) Исходя из уравнения синтеза биомассы из ФГК (уравнение 8) и уравнения катаболизма глюкозы до ФГК (уравнение 14) можно рассчитать, что при росте на глюкозе потребность в АТФ для синтеза биомассы (в расчете на моль глюкозы) составляет 17 молей. Мы считаем, что эта энергия может быть получена из этанола. Учитывая, что при синтезе ЭПС из глюкозы генерируется 1,42 моль АТФ/моль использованной глюкозы, за счет этанола должно быть получено 17- 1,42 = 15,58 моль АТФ. Из уравнения 13 следует, что для получения такого количества АТФ необходимо 3,12 моль этанола. Следовательно, молярное соотношение этанола и глюкозы в среде должно составлять 3,12:1. Например, при концентрации глюкозы в среде 1 масс.% (10 г/л, или 0,056 молей) концентрация этанола должна составлять 0,175 молей, или 8,04 г, или 1% (по объему). Таким образом, соотношение глюкозы (масс.%) и этанола (% по объему) в среде культивирования должно составлять 1:1. )3)
4) Ацетил-КоА +3НАД++ ФАД + ГДФ + Фн+3Н2О —> 2СО2+ 3НАДН + 3Н++ ФАДН2+ ГТФ + КоА Энергия, освобождаемая при окислении ацетил-КоА, запасается в виде одной молекулы ГТФ (которая может превращаться в АТФ) и 4-х молекул восстановительных эквивалентов (3 молекулы НАДН и одна ФАДН2),
|
